卢兰萍，韩亚杰，李澎涛

(河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056038)



腹板几何参数变化对波纹钢腹板箱梁桥的力学影响

卢兰萍，韩亚杰，李澎涛

(河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056038)

以邢衡高速公路邢台段上一座波纹钢腹板组合箱梁桥(50m+80m+50m)为工程实例，通过有限元软件Midas建立波纹钢腹板组合箱梁桥空间模型。分析了钢腹板几何参数变化下的箱梁基本力学特性，结果显示：箱梁挠度受腹板几何参数变化的影响很小；减小腹板直线段长度b对箱梁有利；波纹钢腹板相对于平板钢腹板可以明显提高箱梁抗扭刚度，弯折角越大，箱梁抗扭刚度越大；增加腹板厚度t可以改善箱梁受力性能。

组合箱梁；波纹钢腹板；力学特性；有限元分析

波纹钢腹板组合箱梁桥是在20世纪80年代兴起的一种新型的结构组合形式[1-2]。区别于传统混凝土组合箱梁，其创新处在于充分结合钢材与混凝土两种材料的特性，用波纹钢板来替代传统的混凝土腹板，这种结构因其可以减轻自重、提高预应力使用率、改善抗震性能、加快施工进度、优化经济性能等特点，成为世界范围内桥梁工作人员研究的热点之一。但这种新型桥梁在我国的应用相对较少，且目前我国现行桥梁设计规范中还未形成完善的波形钢腹板组合箱梁设计方法。本文在现行研究的基础上以实桥为例，分析钢腹板几何参数变化下的箱梁基本力学特性，为今后的结构设计提供技术依据，以期起到积极的推广作用。

1 有限元模型的建立[3-5]

1.1 桥梁概括

该桥为一座公路波形钢腹板组合箱梁桥。跨径布置分别为50、80、50m；单箱单室；变截面；截面高度、底厚度由根部向跨中成抛物线式变化。跨中截面梁高2.7m，顶宽14m，底宽8m，顶厚0.18m，底厚0.2m，箱梁悬臂3m，悬臂端厚0.5m(图1)。采用体内与体外相结合的预应力技术，悬臂顶板束、顶板合龙束及底板合龙束均采用19-φs15.2体内预应力钢束，体外预应力钢束采用OVM.S6 19-φs15.2类型钢绞线。采用“T-PBL”连接件、焊钉连接件。为提高横向抗变形能力，且达到转向的目的，每跨设3道横隔板，用螺栓与腹板连接。

1.2模型建立

计算模型取组合箱梁上部结构，采用有限元软件Midas/Civil建立空间模型。箱梁截面采用Midas/Civil设计截面“钢腹板箱梁”模拟。支座采用弹性连接模拟。整个模型总共划分73个节点、58个单元。其结构计算模型如图2所示。

1.3 荷载取值

永久作用：钢筋混凝土桥面自重25kN/m3；钢材容重78.5kN/m3；桥面铺装取0.1m厚沥青混凝土，容重24kN/m3；考虑防撞栏杆取值9kN/m；考虑混凝土收缩、徐变，其值参查规范JTGD62-2004，相对湿度取80%；支座不均匀沉降为5mm。

可变作用：车道荷载取1.3倍公路-I级荷载， 3车道，综合考虑各种不利情况，偏载系数取1.15。桥梁梯度温度模式查规范JTGD60-2004第4.3.10条计算。

2 腹板几何参数对箱梁力学性能影响[6-7]

波纹钢腹板的几何构造在很大程度上影响着箱梁的整体受力性能，其腹板几何形状见图3。其中，b表示直线段长度、c表示斜坡段长度、h表示波高、d表示投影尺寸、t表示腹板厚度、表示弯折角。调查显示，国内外在加工生产波形刚腹板的过程中，为了满足规划生产，通常限定波形腹板每一子板的宽度，即b=c，因而满足d=bcosθ、h=bsinθ，故真正的变量只有三个，即t、b和θ。

2. 1 直线段长度的影响

在波纹钢腹板空间有限元模型中控制腹板弯折角θ=37°、波高h=150mm、板厚t=8mm不变，直板段长度b以此取150、250、350、450、550mm建立有限计算模型，分析在荷载作用下直板段长度变化下箱梁的受力性能。其箱梁跨中挠度、顶，底板正应力、腹板剪应力的变化规律分析结果绘成表格1显示如下：

表1钢腹板直板段长度b变化对箱梁力学性能的影响

由数据分析可知，随着腹板直线段长度b的增加，组合箱梁跨中挠度增大，但增大幅度较小，且均小于规范值。箱梁跨中顶、底板正应力都有增大趋势，其中顶板压应力增幅较小，均小于混凝土抗压强度值23.1MPa。而底板拉应力从11.4MPa增大为14.1MPa，增大24%，腹板剪应力从36.48MPa增大为43.12MPa，增大18%，幅度较明显，设计时应注意。

2.2 弯折角θ的影响

在波纹钢腹板空间有限元模型中控制腹板直线段b=250mm、波高h=150mm、板厚t=8mm不变，腹板弯折角θ依次取0°、10°、20°、30°、40°、50°建立计算模型，分析在荷载作用下，腹板弯折角变化对箱梁力性能的影响。其箱梁跨中挠度、顶，底板正应力、腹板剪应力的变化规律分析结果绘成表格2显示如下：

表2腹板弯折角变化对箱梁力学性能的影响

表3钢腹板厚度t变化对箱梁力学性能的影响

由数据分析可知，随着钢腹板弯折角θ的增大，箱梁跨中挠度增大，但增大幅度很小，且均小于规范值。箱梁跨中顶、底板正应力都有减小趋势，其中顶板压应力变化不大，小于设计值；底板拉应力从14.10MPa减小为10.32MPa，减小了27%；钢腹板剪应力在弯折角θ=0°时最小，说明波形钢腹板的抗剪承载力要比平钢板大；而当弯折角θ从10°大到50°时，随着弯折角θ的增大腹板剪应力逐渐从41.79MPa减小到35.49MPa，减小了15%，说明在一定范围内增大腹板弯折角对腹板抗剪有一定帮助，设计时应注意。

2.3腹板厚度t的影响

在波纹钢腹板空间有限元模型中控制腹板直线段b=250mm、波高h=150mm、弯折角θ=37°不变，而腹板厚度t依次取4，5，6，8，10，12，15，20mm建立计算模型。分析在荷载作用下，腹板厚度t变化下的箱梁受力性能。其箱梁跨中挠度、顶，底板正应力、腹板剪应力的变化规律分析结果绘成表格3显示如下：

由数据分析可知，随着腹板厚度t从4mm增大到20mm时，箱梁跨中挠度减小，但幅度不大。箱梁跨中顶、底板正应力都有减小趋势，其中顶板压应力变化较小，底板拉应力从12.42MPa减小为7.61MPa，减小了38.7%；腹板剪应力从46.78MPa减小为23.22MPa，减小了50.3%，由此可见，腹板厚度t的增大可以显著改善箱梁的受力性能，在设计时可适当加大厚度。

2.4腹板几何参数的抗扭性能分析

在箱梁整体模型中施加偏心荷载，在扭矩的作用下箱梁将发生扭转。通过计算分析，记录箱梁断面在纵轴方向的扭转角，该记录值取箱梁跨中顶、底板扭转角平均值。计算结果见表4、5。

表4 直线段 b变化下跨中断面扭转角

表5 弯折角θ变化下跨中断面扭转角

扭转角从侧面代表了箱梁抗扭刚度，由分析数据可知同等条件下，当直线段长度b增加时，扭转角变大，说明箱梁抗扭刚度降低。当腹板弯折角θ增大时扭转角减小，且θ=0°扭转角明显大于其他组合，说明波纹刚腹板相对于平板刚腹板可以明显提高箱梁抗扭刚度。即减小直线段长度b，增大弯折角θ，可使腹板螺纹越紧密，箱梁抗扭刚度越大，对桥梁越有利。

3 结论

1) 箱梁挠度受腹板几何参数变化的影响很小。

2) 直线段长度b增加，扭转角增大，抗扭刚度降低，顶板和底板正应力、腹板剪

应力增大，减小直线段长度b对箱梁有利。

3) 波纹钢腹板相对于平板钢腹板可以明显提高箱梁抗扭刚度，弯折角θ增大，顶板和底板正应力、腹板剪应力减小，增大θ角对箱梁有利。

4) 增加腹板厚度t可以改善箱梁受力性能，但是会增加箱梁造价。在经济允许下，可适当增大腹板厚度。

[1]陈宝春,黄卿维.波形钢腹板PC箱梁桥应用综述 [J].公路,2005,7(7)：45-53.

[2]李淑琴,万 水,张长青.波形钢腹板设计与制造[M].北京:人民交通出版社,2011.

[3]邱顺冬.桥梁工程软件 Midas Civil 应用工程实例[M].北京:人民交通出版社,2011.

[4]徐 岳，朱万勇，杨 岳.波形钢腹板 PC 组合箱梁桥抗弯承载力计算[J].长安大学学报，2005，25(2)：60-64.

[5]JTG D60一2004公路桥涵设计通用规范[S].

[6]庞 凡.波形钢腹板预应力混凝土组合箱梁力学性能分析研究[D].西安:长安大学,2010：12-35.

[7]徐 强.波形钢腹板预应力 RPC 组合箱梁力学性能研究 [D].北京: 北京交通大学,2011: 1-23.

(责任编辑李军)

Mechanicsgeometricparametersontheimpactofthewebofcorrugatedsteelboxgirderbridge

LULanping,HANYajie,LIPengtao

(1.CollegeofCivilEngineering，HebeiUniversityofEngineering，HebeiHandan056038，China)

Inthispaper,theripplewebcompositeboxgirderbridge(50m+ 80m+ 50m)ofXingtaiXingHenghighwaysegmentwasregardedasanengineeringexample,themodelofripplewebcompositeBoxGirderBridgewasestablishedbythefiniteelementsoftwareMidas.Thebasicmechanicalpropertiesofboxgirderofdifferentgeometricalparametersonrigidwebwereanalyzed,theresultsshowthatthedeflectionofboxgirderisverysmallduetothevariationofgeometricparametersoftheweb.Besides,itisfavorabletoreducethelengthofstraightlinesegment.Theresultsalsoshowthatthetorsionalstiffnessoftheboxgirdercanbeincreasedobviouslywiththecorrugatedwebrelativetotheflatwebplate,andthegreaterthebendangle,thegreaterthetorsionalrigidityofboxgirder.Additionally,theincreasingofthethicknessofthewebcanimprovetheperformanceofboxgirder.

combinationboxbeam;corrugatedsteelwebs;mechanicalproperties;finiteelementanalysis

2015-12-25

国家自然科学基金资助项目(51508150)特约专稿

卢兰萍(1964-)，女，河北邯郸人，硕士，教授，从事交通专业教学、科研和设计方面的研究。

1673-9469(2016)02-0060-03doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.02.013

TG333.17

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